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二氧化钛/聚偏氟乙烯(TiO_2/PVDF)复合膜的制备及油水分离性能研究

刘子涵  
【摘要】:随着石油资源开采中溢油事故的增多和工业生产含油废水排放量的不断增加,全球生态系统和人类健康正受到水污染的威胁,膜分离技术作为一个具有高效低耗的分离技术在水处理方面受到人们的普遍关注。聚偏氟乙烯(PVDF)膜具有良好的机械性能和稳定的化学性能,但由于其自身特有的疏水性,在进行膜分离过程中,容易被污染物沉积污染,造成膜孔堵塞。对PVDF膜进行亲水改性,以提高膜的抗污染性能,已经成为了一种研究趋势。本文通过蒸汽致相分离技术进行PVDF膜的制备,然后通过中间体将TiO_2纳米粒子接枝在PVDF膜表面进行亲水改性,具体内容如下:(1)采用蒸汽致相分离技术制备PVDF膜,在前期研究中发现铸膜液配方中添加剂的含量和蒸汽致相分离时在环境中的暴露时间能够对膜产生较大影响。本文研究了铸膜液中添加剂PVP(K60)含量和蒸汽致相分离中暴露时间对PVDF膜结构及渗透性能的影响。结果发现,随着铸膜液中PVP(K60)含量的增加,所制备的PVDF膜的表面出现表面孔数量逐渐增加,表面孔径出现先增大后减小的变化,PVDF膜的孔隙率出现先增后减的变化。当铸膜液中PVP(K60)含量为2 wt%时,PVDF膜表现出最佳的渗透性能。在蒸汽致相分离制膜过程中,暴露时间从0 min增长到10 min时,膜断面结构会从指状孔转变为海绵孔。当暴露时间为5 min时,所制备的膜的渗透性能达到最佳的纯水通量806.98 L·m~(-2)·h~(-1)·bar~(-1),所有膜都表现出超过99%的油水分离性能。(2)通过在羟基化PVDF膜接枝柠檬酸或丁二酸,再在膜表面接枝不同浓度的TiO_2制备柠檬酸(或丁二酸)改性TiO_2/PVDF复合膜,对制备的膜进行表征和渗透性能研究。随着TiO_2溶液浓度的增加,柠檬酸改性TiO_2/PVDF复合膜表面接枝的TiO_2粒子数量也呈现增加的趋势,通量出现先增加后减少的趋势,在TiO_2溶液浓度为0.3 wt%时,柠檬酸改性TiO_2/PVDF复合膜具有最佳的纯水通量1185.47 L·m~(-2)·h~(-1)·bar~(-1)。随着TiO_2溶液浓度的增加,丁二酸改性TiO_2/PVDF复合膜表面接枝的TiO_2粒子数量同样呈现增加的趋势,当TiO_2溶液浓度为0.5wt%时,膜片达到最佳性能,丁二酸改性TiO_2/PVDF复合膜的接触角为63.2±2.1°,纯水通量为1073.03 L·m~(-2)·h~(-1)·bar~(-1),所有膜片都保持了超过99%的油水分离效率。(3)对柠檬酸(或丁二酸)改性TiO_2/PVDF复合膜的油水分离性能和抗污染性能进行研究,比较柠檬酸和丁二酸对TiO_2在PVDF膜表面接枝的区别。柠檬酸(或丁二酸)改性TiO_2/PVDF复合膜在油水分离效率方面没有明显的差异,但丁二酸改性TiO_2/PVDF复合膜表现出更高的乳化油通量,其乳化油通量可以达到138.38 L·m~(-2)·h~(-1)·bar~(-1)。柠檬酸(或丁二酸)改性TiO_2/PVDF复合膜在多次油水分离循环中,油水分离效率都没有明显的变化。TiO_2通过丁二酸接枝改性制备的PVDF膜在第四次循环后的通量恢复率达到80.89%,而TiO_2通过柠檬酸接枝改性制备的PVDF膜的通量恢复率为74.26%,TiO_2通过丁二酸接枝改性制备的PVDF膜表现出更好的抗污染性能。


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